Development of (bio)molecules’ cocktails (including (bio)polymers and (bio)surfactants) to promote additional oil recovery

Abstract

À medida que a população mundial aumenta, também aumentam as necessidades energéticas e a procura por combustíveis fósseis, devido ao atraso na implementação de fontes de energia mais amigas do ambiente. Além disso, as reservas de petróleo existentes estão a atingir o seu limite, tornando inviável a sua exploração do ponto de vista económico, sendo crucial melhorar os processos existentes que exploram a produção de petróleo. Tecnologias como a Recuperação Avançada de Petróleo com recurso a Microrganismos (MEOR, na sigla em inglês) utilizam biopolímeros e biosurfactantes produzidos por microrganismos para melhorar a produção de petróleo. Estas biomoléculas têm efeitos semelhantes à injeção dos compostos químicos, com a vantagem de serem menos prejudiciais para o meio ambiente. Vários microrganismos produtores de biopolímeros e biosurfactantes foram estudados para sua aplicação em MEOR. Utilizando resíduos agroindustriais (água de maceração do milho e águas ruças), foi possível melhorar a produção de biosurfactantes (ramnolípidos) pela estirpe Burkholderia thailandensis E264 (em matraz e biorreator a escala laboratorial), assim como do biopolímero γ–PGA e biosurfactante pela estirpe Bacillus velezensis P#02, quando comparado com a produção em meio sintético. Para os biopolímeros estudados (de B. velezensis P#02, de Rhizobium viscosum CECT 908 e xantano), viscosidades mais elevadas e um módulo elástico mais prevalente foram as principais características que aumentaram a recuperação de petróleo em ensaios a escala laboratorial; comprovado pelos fatores de recuperação obtidos com o biopolímero produzido por R. viscosum CECT 908 em ensaios em colunas de areia usando óleos com diferentes viscosidades. Além disso, em estudos de simulação, foi possível observar o efeito favorável de um fluxo mais uniforme, tendo as simulações em que os biopolímeros foram injetados apresentado melhores recuperações de petróleo do que a injeção de água. Para os biosurfactantes, mecanismos que envolvem a redução da tensão superficial, emulsificação e alterações na molhabilidade do substrato estão associados à recuperação de petróleo. Ainda, em ensaios em colunas de areia onde se injetaram biopolímeros e biosurfactantes, demonstrou– se que estes podem atuar sinergicamente. Os resultados obtidos nesta tese fornecem dados importantes para o desenvolvimento de tecnologias alternativas que podem melhorar a recuperação de petróleo.

As world population rises, so does the energy demand and the need for fossil fuels, due to the delay in the implementation of more environmentally friendly energy sources. Furthermore, the existing crude oil reserves are being depleted and reaching their economic limit of exploitation. As such, it is crucial to improve the existing processes that explore the production of crude oil to recover the residual oil that remains trapped in the reservoirs and promote the exploration of unconventional crude oil reservoirs. Technologies such as Microbial Enhanced Oil Recovery (MEOR) use biopolymers and biosurfactants produced by microorganisms to improve oil production. These biomolecules have similar effects to their chemical counterparts, with the advantage of being less dangerous to the environment. Several biopolymer– and biosurfactant–producing microorganisms were studied for their potential application in MEOR. Using agro–industrial residues (corn steep liquor and olive oil mill wastewater), it was possible to improve biosurfactant (rhamnolipids) production by Burkholderia thailandensis E264 (in flasks and bioreactor at laboratory scale), and both the biopolymer γ–PGA and biosurfactant production by Bacillus velezensis P#02, when compared with their production in synthetic media. For the studied biopolymers (from B. velezensis P#02, from Rhizobium viscosum CECT 908 and xanthan gum), it was found that higher apparent viscosities and a more prevalent elastic modulus were the main characteristics that increased oil production. That was demonstrated by the recovery factors obtained with the biopolymer from R. viscosum CECT 908 in sand–pack column assays using oils with different viscosities. Furthermore, in simulation studies, it was possible to see the favorable effect of a more uniform displacement front in oil recovery operations. The simulations where biopolymers were injected showed better recoveries than water injection. For biosurfactants, mechanisms involving surface tension reduction, emulsification and wettability alterations were all associated with oil recovery improvement. Additionally, in sand–pack column assays where biopolymers and biosurfactants were injected, it was shown that they can act synergistically in recovering oil. Overall, the results obtained in this thesis provide important insights for developing environmentally friendly technologies that can improve oil recovery.